碳化硅（SiC）作为一种高性能材料，在大功率器件、高温器件和发光二极管等领域有着广泛的应用。

其中，基于等离子体的干法蚀刻在SiC的图案化及电子器件制造中起到了关键作用，现分述如下:

• 干法蚀刻概述

• 碳化硅反应离子蚀刻

• 碳化硅反应离子蚀刻案例

• ICP的应用与优化

1、干法蚀刻概述

干法蚀刻的重要性

精确控制线宽：当器件尺寸进入亚微米级（<1μm）时，等离子体蚀刻因其相对各向异性的特性，能够精确地控制线宽，成为SiC蚀刻的首选方法。

化学稳定性挑战：SiC的化学稳定性极高（Si-C键合强度大），使得湿法蚀刻变得困难。湿法蚀刻通常需要在高温或特定条件下进行，且线宽控制难度大。因此，干法蚀刻成为解决这一问题的有效途径。

干法蚀刻的主要方法

反应离子蚀刻（RIE）是SiC干法蚀刻的主要方法。它通过物理溅射和化学腐蚀相结合的方式去除SiC材料。

物理溅射：利用等离子体发射的高能粒子轰击SiC表面，实现材料的物理去除。

化学腐蚀：等离子体中的活性化学物质与SiC表面物质发生反应，促进材料的化学去除。

RIE蚀刻的工艺特点

氟基等离子体：氟基RIE蚀刻可以实现高蚀刻速率（100~1000?/min）和高度的各向异性，适用于亚微米尺寸的图案化。

气体组合：六氟化硫和氧气是研究最多的气体组合，广泛用于SiC蚀刻。但金属掩模会产生微掩蔽问题，导致蚀刻表面产生草状结构。

掩模材料：为了消除金属颗粒的影响，研究使用了基于氯和溴的化学反应物，但这些反应物的蚀刻速率较慢。使用CMOS工艺兼容的掩模材料（如二氧化硅和氮化硅）是未来的研究方向。

RIE蚀刻的挑战与解决方案

残留物问题：长时间蚀刻后，SiC表面容易形成残留物，导致表面粗糙。这可能是由于商用RIE系统设计用于大尺寸硅晶片，而非小尺寸的SiC衬底所致。

解决方案：优化RIE工艺参数，如气体流量、蚀刻时间和等离子体功率等，以减少残留物的生成。同时，开发适用于小尺寸SiC衬底的专用RIE系统也是解决这一问题的有效途径。

反应腔类型的影响

选择合适的反应腔类型和操作条件对于实现碳化硅蚀刻的高速率、高选择性以及获得垂直侧壁和光滑表面至关重要。

常规反应离子蚀刻系统：使用两个平行板和射频等离子体发生器的常规反应离子蚀刻系统通常具有低等离子体密度和高能量物质。在这种反应腔中，对碳化硅的蚀刻主要通过物理溅射进行，这可能导致蚀刻表面粗糙，并且对常用掩模材料的选择性较低。

高密度低压等离子体蚀刻反应腔：为了克服常规系统的缺点，大多数碳化硅蚀刻采用高密度低压等离子体蚀刻反应腔。这种反应腔能够产生高密度的等离子体，同时在较低的压力下操作，从而减少了离子散射，降低了各向异性的横向蚀刻速率，有利于获得垂直侧壁和光滑表面。

2、碳化硅反应离子蚀刻

碳化硅的反应离子蚀刻涉及物理和化学过程的结合。等离子体放电期间产生的带电粒子、光子和中性粒子等，通过物理溅射和化学蚀刻机制去除材料。主要机理取决于反应副产物的活性和离子化物质的能量。

等离子体蚀刻分类

根据原料气体、等离子体压力和样品偏置电极的连接方式，等离子体蚀刻可分为四类：溅射、等离子体化学蚀刻、离子增强化学蚀刻和缓蚀剂控制的化学蚀刻。反应离子蚀刻通常包含后两类过程，允许在蚀刻速率和各向异性之间进行权衡。

氧气的影响

氧原子与不饱和氟化物反应，生成活性氟原子，同时消耗聚合物；

氧气使硅表面更像“氧化物”，减少蚀刻位点，降低蚀刻速率；

氧气作为添加剂稀释含氟气体，进一步降低蚀刻速率；

在碳化硅蚀刻中，随着氧气百分比的增加，蚀刻速率通常降低。这是因为通过碳氧反应去除碳的效率可能低于通过碳氟反应。在低氧气百分比条件下，可获得最高的3C-SiC蚀刻速率。

F/C比对蚀刻效果的影响

在硅蚀刻中，F/C比（氟原子与来自气相蚀刻剂的碳原子的比例）是影响蚀刻的关键因素。高F/C比的气体可获得高蚀刻速率，而低F/C比可能导致聚合物沉积，形成锥形蚀刻轮廓。

碳化硅蚀刻的特殊性

与硅蚀刻相比，碳化硅蚀刻具有以下特点：

利用石墨薄片可获得高度各向异性的蚀刻轮廓；

碳化硅本身提供碳，增强聚合物形成，防止侧壁被蚀刻；

目前研究的氟化气体均不能在碳化硅蚀刻中产生咬边轮廓。

高能离子通量的影响

在纯化学等离子体蚀刻工艺中，高能离子通量对蚀刻效果也有重要影响。因此，在设计和优化碳化硅反应离子蚀刻工艺时，需要综合考虑气体组成、压力、功率和离子通量等因素。

3、碳化硅反应离子蚀刻案例

实验设置

样品与电极：实验中使用3C-SiC、6H-SiC、4H-SiC样品，置于裸露或石墨覆盖的铝电极上进行反应离子蚀刻。

气体混合物：研究CF4/CHF3、NF3/CHF3、SF6/CHF3以及NF3/SF6等双氟化气体混合物对碳化硅蚀刻的影响。

蚀刻特性

蚀刻速率：3C-SiC通常具有比6H-SiC更高的蚀刻速率，部分归因于其较高的缺陷密度；在双氟化气体混合物中，碳化硅的蚀刻速率通常随CHF3百分比的增加而降低

纯NF3、CF4或SF6气体中可获得6H-SiC的最高蚀刻速率。

无残留蚀刻：纯CHF3可产生无残留的蚀刻表面，但蚀刻速率较低；通过调整双氟化气体混合物的比例，可获得既高蚀刻速率又无残留的实验条件。

直流偏压：较高的直流偏压不一定导致较高的蚀刻速率，蚀刻速率与所施加的直流偏压不具有简单的线性关系，但一定程度的偏压是物理或化学蚀刻碳化硅所必需的。

实验改进

石墨覆盖：在铝电极和样品之间使用石墨覆盖，以提高碳化硅的蚀刻速率，并防止产生残留物。

参数优化：通过增大射频功率和流速，改进标准蚀刻参数，发现了多种使蚀刻速率大于500?/min的条件。

结论

双氟化气体混合物为碳化硅反应离子蚀刻提供了多种可能性，通过调整气体比例、直流偏压、射频功率和流速等参数，可获得既高蚀刻速率又无残留的实验条件。

石墨覆盖的铝电极有助于进一步提高蚀刻速率，并防止产生残留物；碳化硅的蚀刻速率与所施加的直流偏压不具有简单的线性关系，但一定程度的偏压是必需的；通过优化实验参数，碳化硅反应离子蚀刻的蚀刻速率可达到相当高的水平。

4、ICP的应用与优化

碳化硅（SiC）因其优异的物理和化学性质，在电子应用、传感器、微机电系统（MEMS）以及极高压功率器件等领域展现出巨大潜力。然而，为了实现这些先进结构，需要高效的深蚀刻技术。电感耦合等离子体（ICP）蚀刻作为一种高密度等离子体干蚀刻技术，能够满足碳化硅深蚀刻的需求，实现无残留且高蚀刻速率的加工。

ICP蚀刻的基本原理与特点

ICP蚀刻利用高频电磁场在反应室内产生高密度等离子体，通过调整工艺参数（如ICP线圈功率、压板功率、工作压力等）来控制离子的能量和方向性，从而实现对碳化硅材料的高效蚀刻。与常规平行板反应离子蚀刻相比，ICP蚀刻具有更高的离子通量和更灵活的工艺参数调整范围。

ICP蚀刻中的沟槽效应与挑战

尽管ICP蚀刻具有诸多优点，但在碳化硅加工过程中仍面临沟槽效应等挑战。沟槽效应是由于离子反射和电荷效应导致的衬底表面不均匀蚀刻现象，可能对器件的制造和可靠性造成潜在危害。研究表明，添加氧气气体时会增强沟槽效应，因为会形成钝化层SiFxOy。

工艺参数对ICP蚀刻的影响与优化

压板功率：随着压板功率的增大，离子轰击能量增加，有助于提高碳化硅的蚀刻速率和改善物理蚀刻机制。然而，高的压板功率会导致掩模溅射增加，降低Ni/SiC的选择性。

ICP线圈功率：增加ICP线圈功率会增强化合物的解离以及氟自由基和离子的产生，提高表面化学反应机制，从而提高蚀刻速率。但同时，活性离子含量的增加会导致更高的离子注量轰击衬底，降低直流偏压和离子轰击能量。因此，需要平衡ICP线圈功率对等离子体性能和蚀刻速率的影响。

工作压力：离子的平均自由程和平均寿命随着压力的增加而下降，导致离子含量降低和直流偏压增加。蚀刻速率随压力的增加而降低的现象可以通过入射离子方向性的降低来解释。通过调整工作压力，可以控制微沟槽蚀刻的深度和侧壁坡度。

优化工艺参数实现高效蚀刻

使用低的压板功率来减少镍的溅射量，同时使用高的ICP线圈功率和低压力（8mTor）来确保高蚀刻速率和避免微沟槽效应。

通过这种方法，获得了940nm/min的蚀刻速率，Ni/SiC的选择比在60左右，轮廓角为83°左右。